CN101171685A - Rgb热隔离衬底 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于红、绿和蓝LED的底座，其中底座具有底座中的热隔离沟道和/或孔，使得由绿、蓝AlInGaN LED产生的高热量不能传导到红AlInGaP LED。底座包含互连多种结构的LED的导体。在一个实施例中，AlInGaP LED在底座中凹入，使得所有的LED具有相同的光出射平面。底座可以用于产生其它颜色的LED，例如黄色、琥珀色、橙色和青色。

Description

RGB热隔离衬底
发明领域
本发明涉及发光二极管(LED)，尤其是涉及用于热隔离不同类型的多色LED的安装衬底。
背景技术
已知的是将红、绿和蓝LED管芯安装在单个底座上以产生白光模块。底座是导热和电绝缘衬底(例如陶瓷)，具有形成在其上的导体，该导体从LED触点引导到两个或者多个引线或者焊料接触焊盘。导体通常串联和/或并联地互连至少一些LED。然后通常将底座安装在具有引导到电源和/或其它底座的连接器的印刷电路板上。将由每个管芯产生的热量传输到底座并最终到热耦合到底座的散热器(例如电路板)。由于整个底座基本上为相同的温度，所以和其它LED相比产生相对低热量的LED将被其它LED加热。例如，由红色LED产生的热量可以低于由蓝色LED产生的热量，因为需要的电流流过红色LED以产生所需要的光输出。
通常使用AlInGaP外延层形成红色和琥珀色LED，同时通常使用AlInGaN外延层形成绿色和蓝色LED。AlInGaP LED的光输出对温度非常敏感(更高温＝更低输出)并且远远比AlInGaN LED更敏感。因此，RGB模块的整体颜色将随着温度而改变。尤其不希望的是，当模块使用在彩色显示器中或者用作平板显示背光使用时。另外，AlInGaP LED的过渡加热降低了其使用寿命。
另外，由于红色LED通常具有厚的窗口层，所以红色LED通常比蓝色LED厚。因此，红色LED较高地设置在公共底座上，导致红色和绿色/蓝色LED具有不同的光输出出射平面。这导致模块整体颜色输出的变化。
为了避免上述的加热问题，RGB LED可以安装在单独的底座上面，但是这导致了附加的费用、RGB模块的更大面积、跨过额外电线的电压降以及其它缺点。
发明内容
描述了一种用于红色、绿色和蓝色LED的底座，其中在底座中底座具有热隔离沟道和/或孔，使得由绿色/蓝色AlInGa N LED产生的高热量不能传导到热敏感的红色/琥珀色AlInGaP LED。底座包含以多种结构互连LED的导体。
在一个实施例中，AlInGaP LED在底座中是凹入的，使得所有的LED具有相同的光出射平面。
底座可以用于产生其它颜色例如黄色、琥珀色、橙色和青色的LED。
附图的简要说明
图1是RGB LED底座的顶视图，示出了用于AlInGaP LED的LED位置、中心凹入部分的以及底座中的热隔离沟道。
图2是底座的顶视图，示出了用于一些LED的接触焊盘。
图3是底座和LED的部分截面图，示出了热隔离沟道和孔。
图4是底座的部分横截面图，还示出了将LED电极电耦合到多个到体和底部焊料焊盘的通孔。
图5是底座的底视图，示出了多种焊料焊盘，其可以以任何结构连接到LED电极。
图6是使用安装在底座上的RGB LED作为背光的液晶显示器(LCD)的横截面图。
具体描述
作为正文前的内容，形成不同类型和颜色的常规LED。在使用的例子中，一种类型的LED是GaN基LED，例如AlInGaN LED，用于产生绿色、青色、蓝色或者UV光。通常来说，使用常规的技术在蓝宝石衬底上生长p和n型外延GaN层。P层通常是上层并通过上表面上的金属电极接触。
使用多种技术获得对下面的n层的电连接。在倒装晶片中，刻蚀掉p层和有源层的一部分以露出用于金属化的n层。以这种方式，p触点和n触点在芯片的相同侧上，并可以直接电连接到底座接触焊盘上。来自n金属触点的电流最初横向流过n层。相反，在垂直注入(非倒装晶片)LED中，在芯片的一侧上形成n触点，在芯片的另一侧上形成p触点。p或者n触点的其中一个的电连接通常由一根电线或者一个金属桥来完成，另一个触点直接连接到底座接触焊盘。尽管在例子中使用了倒装晶片GaN LED，但是电线连接GaN LED同样可以受益于本发明。
对于红色、琥珀色、橙色和黄色光，使用AlInGaP材料系统形成LED。在AlInGaP LED中，在生长或者晶片连接导电窗口层之后，通常在GaAs衬底上生长p和n型外延AlInGaP层。可以去除掉吸光的GaAs衬底。LED可以形成为倒装晶片或者使用电线连接。
使用名称AlInGa N和AlInGaP表示具有含任何Al和In百分比(包括零)的GaN或者GaP基的以得到所需要颜色的LED。
形成这种多色LED的方法是已知的。在美国专利号6649440、6547249、6274399、6229160和5233204中描述了形成LED的一些例子，所有的都指派给Lumileds Lighting并引作参考。
将LED的晶片切成小块以产生通常小于等于1mm2等级的单个LED管芯。
为了在单模块中组合不同颜色的LED(例如AlInGaN和AlInGaPLED)以产生白光或者一些其它组合的颜色，参考有关图1-5所述的将LED管芯安装在底座10上。
底座10是由电绝缘材料例如陶瓷构成的层。在其它实施例中，底座可以是硅，其中氧化物层提供电绝缘。
示出了LED12-23。在其它实施例中可以使用更多或者更少的LED。在凹入的中心位置26中安装热敏感的AlInGaP LED20-23。LED20-23通常发出红色、橙色、琥珀色或者黄色的光(也就是波长大于575nm)。LED12-19是GaN基并通常发出蓝色、青色或者绿色的光(也就是波长小于575nm)。GaN LED比AlInGaP LED的热敏感性小。八个GaN LED将通常发出大于四个AlInGaP LED的热量，因为可以将更多的电流施加给GaN LED以得到所需要的亮度(GaN LED比AlInGaP LED效率更低)，并且存在更多的GaN LED产生热量。
为了使GaN LED12-19和AlInGaP LED20-23真正热隔离，在底座10中形成沟道28-31以使得在GaN LED和AlInGaP LED之间的导热路径断开。
为了维持结构的完整性沟道28-31不完全地限制AlInGaP LED；然而，在其它实施例中沟道完全限制AlInGaP LED。
图2示出了用于四个AlInGaP LED的接触焊盘34和用于GaN LED的一组接触焊盘38的例子。为了简单只示出了一组GaN接触焊盘38，在底座10上可能存在很多不同的接触焊盘布置。
在例子中，AlInGaP LED不是倒装晶片，并需要用于上电极的电线连接。用于AlInGaP LED的接触焊盘34是由直接焊接到AlInGaP LED的下电极(例如n电极)的金属(例如金)焊盘40和用于在AlInGaP LED的上电极(例如p电极)和焊盘42之间进行线连接的金属焊盘42构成的。
在该例子中的GaN LED是倒装晶片，在管芯的下部具有n和p金属电极。用于GaN LED的接触焊盘38是由一组n触点44和一组p触点46构成，它们和LED的下表面上的n和p电极对准。在一个实施例中触点是金的。将电极分布成更均匀地分布流过LED有源层的电流。在美国专利号6547249中描述了使用这种分布的n和p电极的倒装晶片，指派给本代理人。
图3是沿着图1的中心线3-3底座10的一部分的横截面图。为了更好地展示重要特征该图没必要按比例画。在该例子中，底座10是由三个陶瓷层50、51、52构成的，在每个陶瓷层之间具有构图的金属层56、58。通过模制可以形成陶瓷层(在压力下的模制过程中处理的粘接剂中的陶瓷颗粒)。形成陶瓷衬底是公知的，可以喷射金属层或者另外使用刻蚀剂沉积和构图。
通过模制工艺或者刻蚀工艺在上面的两个层51、52中形成深沟道30以热隔离LED19下面的层部分51、52和LED20下面的层部分51。在另一个实施例中，沟道是一系列孔，用于减少一部分层和另一部分层之间的热接触面积。
层50中的孔54的图案(也在图5中表示)基本上围绕着凹入部分26以热隔离LED19下面的层50和LED20下面的层50。
因此，存在由沟道28-31(图1)和孔54进行的两级热隔离。如果由沟道28-31提供的热隔离是足够的，可以删除孔54。
底座10表面上的金属接触焊盘电连接到陶瓷层之间的构图金属层56和58，它们依次连接到底座10下面的焊料焊盘上(还参见图5)。在一个实施例中，焊料焊盘60电耦合到LED19的n或者p电极，中心焊料焊盘62仅用于热传导到下面的散热器。
图5是底座10的底视图，示出了多种焊料焊盘。多种结构的焊料焊盘是可能的，并依赖于使用的LED的数量和种类。
图4示出了通过多种陶瓷层的可能通孔64，陶瓷层电互连接触焊盘、金属层和焊料焊盘。通过模制和使用喷射填充金属可以形成通孔。
金属层56、58的图案和通孔64的位置决定了多个LED怎样互连。在一个实施例中，所有的绿色LED(例如图1中的LED14、15、18和19)可以串联连接并连接到底座10下面的相同n和p焊料焊盘60和64(图5)。所有的蓝色LED(例如LED12、13、16和17)可以串联连接并连接到相同n和p焊料焊盘66和68。所有的AlInGaP LED(例如LED20-23)可以串联连接并连接到相同n和p焊料焊盘70和72。在另一个实施例中，LED组也可以并联连接。特殊的结构依赖于这样的因素例如所需要的电压降、需要的电流、使用的LED类型、所需要的颜色混合和其它因素。
中心的焊料焊盘62可以仅仅是用于热耦合到散热器或者可以作为AlInGa P LED的触点。
一个或者多个底座10可以焊料连接到印刷电路板65(以虚线示出)，其可以包含连接到其它LED模块和电源的金属引线。电路板65可以串联和/或并联互连多个LED。电路板65可以是铝片，用于散热的目的，在其表面上具有薄电绝缘层和在绝缘层上的金属导体图案。连接到电路板上的相应焊盘的底座焊料焊盘给铝散热器提供良好的热路径。电路板可以安装在较大散热器上。
代替底座10下面的焊料焊盘，电触点可以是面安装焊盘、从底座延伸的引线、插头或者插座、城堡形结构或者用于电连接的其它设施。
在电路板上安装底座是任意的，因为底座可以直接连接到电源。
除了底座10提供的热分离之外，通过刻蚀或者模制上陶瓷层52提供凹入区26(图1和3)。由于AlInGaP LED的高度大于GaN LED的高度，所以在所示的例子中，在被安装到底座10上之后凹槽26能导致AlInGaP LED和GaN LED的上部基本水平。以这种方式，GaN和AlInGaPLED的光出射平面是平的，并且从GaN LED的侧面发射的光没有被较高的AlInGaP LED阻挡。这导致了模块周围颜色更均匀的图案。
底座10的另一个优点是通过焊料回流AlInGaP LED可以连接到底座的接触焊盘40，同时通过螺栓凸起GaN倒装晶片可以连接到接触焊盘38。使用公知的技术将GaN LED金螺栓凸起超声焊接到金接触焊盘。AlInGaP LED的下表面已经在它们上面喷射了易溶的AuSn焊料(熔化温度280摄氏度)。将AlInGaP LED设置在金接触焊盘40上面，并将接触焊盘40加热到稍微高于280摄氏度以回流焊料并将LED电极连接到接触焊盘。GaN LED可以在焊料回流之前或者之后连接到底座10，因为加热底座10的中心部分将不会有效地影响底座10外部的温度。
在另一个实施例中，将GaN LED焊接到任何结构的接触焊盘。
RGB LED组的阵列可以安装在单个底座上。例如，每个RGB组可以充当显示器的RGB像素，使得单个底座上的RGB组的阵列可以充当小的彩色显示器。这种底座可以是任何尺寸。底座的阵列可以为全显示提供足够的像素，或者充当用于照明的可控彩色光源。
在一个实施例中，根据安装在底座上的LED的数量，底座的上表面面积在6mm2-4cm2之间。
如所看到的，通过热隔离热敏感LED和产生热量的LED，本发明的底座改善了多色LED模块的特性。结果，混合颜色随时间更均匀。另外，凹入部分平衡了所有LED的光出射平面。
凹入部分的位置可以是底座上的任何地方。而且，沟道和孔的布置可以是任何适当的图案。可以使用这种底座的LED不局限于GaP和GaNLED。
具有RGB LED的底座10尤其适用于为显示器背光产生均匀的白光。图6是用于液晶显示器(LCD)76或者使用背光的其它显示器的背光74的横截面图。通常使用的是电视机、监控器、蜂窝电话等等。将上面所述的一个或者多个RGB LED底座78安装在电路板80上面。LED底座78可以形成二维阵列。优选用白色反射扩散材料涂覆背光盒的下部和侧壁82。在盒子中混合来自多种多色LED的光以产生均匀的白光。而且在图6中所示的是LCD屏84，具有可控的RGB像素(遮光器)和扩散片86。
尽管已经示出和描述了本发明的特殊实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的条件下可以在较宽的方案中作出变化和变形，因此，附带的权利要求将在它们的范围内包含所有这些变化和变形，如同落在本发明的真实精神和范围内。

Claims (23)

1.一种发光二极管(LED)结构，包括：
底座，包括电绝缘体、电导体、在第一表面上的第一接触焊盘和在第一表面上的第二接触焊盘，所述第一接触焊盘用于连接到至少第一LED，所述第二焊盘用于连接到至少第二LED；以及
在第一接触焊盘和第二接触焊盘之间的第一表面中的至少一个中断，用于增加连接到第一接触焊盘的第一LED和连接到第二接触焊盘的第二LED之间的热隔离。
2.如权利要求1的结构，其中第一LED是GaP基LED以及其中第二LED是GaN基LED。
3.如权利要求1的结构，其中该底座具有中间部分和围绕该中间部分的外部，其中第一接触焊盘在中间部分中，第二接触焊盘在外部中以及至少一个中断在中间部分和外部之间。
4.如权利要求1的结构，还包括底座的凹入部分，在其上支撑着第一接触焊盘。
5.如权利要求1的结构，其中该至少一个中断包括隔离第一接触焊盘和第二接触焊盘的至少一个沟道。
6.如权利要求1的结构，其中第二LED是倒装晶片。
7.如权利要求1的结构，其中第一LED具有通过电线连接到所述第一接触焊盘之一的一个电极。
8.如权利要求1的结构，其中底座包括两层或者多层电绝缘材料，作为第一表面的第一层的表面，其中该至少一个中断包括形成在第一层中的至少一个沟道。
9.如权利要求1的结构，其中底座包括两层或者多层电绝缘材料，底座还包括在至少两个层之间的电导体。
10.如权利要求9的结构，其中电导体互连第一接触焊盘和第二接触焊盘。
11.如权利要求1的结构，其中底座包括电绝缘材料的至少第一层和第二层，该第一层的表面是所述第一表面，其中该至少一个中断包括形成在该第一层中的至少一个沟道，以及其中该至少一个中断还包括不是直接在该至少一个沟道下面的第二层中的至少一个中断。
12.如权利要求1的结构，其中存在多组第一接触焊盘和多组第二接触焊盘。
13.如权利要求1的结构，其中存在多组第一接触焊盘和多组第二接触焊盘，所述多组第一接触焊盘设置在底座的中部，以及所述多组第二接触焊盘设置在底座的外部，第一表面中的该至少一个中断在多组第一接触焊盘和多组第二接触焊盘之间。
14.如权利要求13的结构，其中底座的中间部分是凹入的。
15.如权利要求1的结构，还包括在底座的第二表面上的第三接触焊盘，所述第一表面上的所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘通过电导体电耦合到该第三接触焊盘。
16.如权利要求1的结构，其中电绝缘体是陶瓷。
17.如权利要求1的结构，其中该第一LED发射具有大于575nm波长的光，以及该第二LED发射具有小于575nm波长的光。
18.如权利要求1的结构，还包括在第一表面上用于连接到至少第三LED的第三接触焊盘，第一LED发射第一种颜色的光，第二LED发射第二种颜色的光，以及第三LED发射第三种颜色的光。
19.如权利要求18的结构，其中第一种颜色是红色、第二种颜色是蓝色以及第三种颜色是绿色。
20.如权利要求1的结构，还包括底座的凹入部分，在其上支撑着第一接触焊盘，以及非凹入部分，在其上支撑着第二接触焊盘，其中当安装在底座上时，第一LED的上表面和第二LED的上表面基本上处于是相同的平面。
21.如权利要求1的结构，还包括印刷电路板，在其上安装底座。
22.如权利要求1的结构，还包括容纳底座的反射性外壳，该外壳形成显示器的背光。
23.如权利要求1的结构，其中底座适于安装在电路板上。
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